SA4: A Comprehensive Analysis and Optimization of Systolic Array Architecture for 4-bit Convolutions
Notice bibliographique
Résumé
Many studies have demonstrated that 4-bit precision quantization can maintain accuracy levels comparable to those of floating-point deep neural networks (DNNs). Thus, it has sparked a keen interest in the efficient acceleration of such compressed DNNs, especially 4-bit convolutions, on edge devices. However, we observe that conventional systolic array (SA) architectures, widely adopted for DNN acceleration, fail to fully exploit the high computational density benefits of 4 -bit DSP packing. In this paper, we conduct the first comprehensive analysis of the integration of modern DSP packing techniques (specifically, 4-bit fully DSP packing) into the 4-bit systolic array design for convolutions. First, we introduce a row-temporal weight stationary 4-bit SA dataflow that complements the loop execution order inherent in 4-bit fully DSP packing in conventional SAs, which is called BaseSA. Next, we analyze the performance and resource efficiency of BaseSA, and identify two inefficiencies in the integration: 1) excessive LUT resource utilization that constraints the overall SA size, and 2) large latency gap to the theoretical optimum, due to various stalls in data supplies. To overcome these obstacles, we propose SA4: an HLS-based, customizable, and ultra-efficient hierarchical $\underline{\text { SA}}$ architecture optimized for 4 -bit convolutions. The core unit in SA4 is a delicately designed cost-effective SA unit (SAU), which 1) replaces the costly buffer-based data suppliers for activations and weights with shift-register-based ones, 2) replaces LUT-intensive FIFO connections between SA PEs (processing elements) with registers, and 3) replaces the finite state machines (FSM) and data unpacking logic inside each PE with a global FSM inside each SAU and a data splitter shared by a column of PEs. While such an SAU can only support a small spatial size for an SA due to its delicate design, we further scale it out using an array of SAUs. Experimental results show that our proposed SA4 achieves 1153.2 GOPS on the AMD-Xilinx Ultra96-V2 FPGA, with a $13.8 \times$ increase in GOPS/DSP efficiency and a $49 \times$ increase in GOPS/kLUTs efficiency compared to a straightforward SA and 4-bit DSP packing integration. Our SA4 project is open sourced here: https://github.com/Michaela1224/SA4.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».